移動ＧＳＭ基站對雷擊災害的預防及解決方案

莊　翼

[摘要]文章通過分析現階段GSM基站防雷和接地存在的主要問題，分別就直擊電、基站供電線路、移動基站共用(聯合)接地系統等幾個方面提出了防雷的解決方案，指出接地是防雷系統的最重要環節，做好接地對于基站的防雷意義重大。

[關鍵詞]GSM基站防雷接地雷擊天線

1概述

我國移動通信經過十幾年的發展，從初期的第一代模擬通信發展到第二代數字通信。以及現在的3G網絡，從小規模、小范圍覆蓋發展到今天的大規模、覆蓋全國所有地市及村村通工程。微電子技術是移動通信基站電子設備的核心。這些設備很脆弱，雷電易對它們產生破壞，將造成通信中斷和嚴重經濟損失。移動GSM基站有城區站、郊外站和高山站，其通信天線一般都有金屬塔支撐，因覆蓋需求機房所處地勢也較高，通信鐵塔容易成為雷云對地放電的接閃通道，從而導致基站容易遭受雷擊。過電壓尤其是功率強大的雷電電磁脈沖對基站電子設備硬件的損壞是呈逐年上升趨勢。現在大有移動基站建到哪里雷電的侵害就跟蹤到那里趨勢。因此，加強移動通信基站對雷電的防御能力，減小雷擊災害損失，其防雷與接地措施必須結臺基站建筑物及基站通信專業的特點，做到綜合治理、系統防雷。

2基站防雷和接地問題分析

實踐中，GSM基站防雷與接地通常存在以下問題：

(1)天線與避雷針距離太近：天線雖然在滾球半徑范圍內。但鐵塔避雷針與天線的垂直、水平距離太近，避雷針接閃時，天饋線上的雷電感應電壓過高，對通信設備端口造成危害。

(2)接地電阻不符合規范：有的基站避雷針在機房屋頂雖然接地，設備也有接地，但接地電阻太大，不利雷電流泄流。

(3)天饋接地不符合規范：有的基站鐵塔高度大于或等于60m，天饋線中間和進入機房前都沒有接地；有的饋線與通信機端口未設置饋線避雷器。

(4)供電線路敷設不規范：有的基站供電線路沒有從地下敷設進站，而是架空直接進入二樓機房，把雷電波直接引入房間。

(5)地網制作不規范：有的基站天線鐵塔地網和機房地網沒有形成聯合接地；有的基站機房內通信設備接地不規范，直接與屋頂女兒墻上避雷帶相連，基站遭雷擊時致使通信設備嚴重損壞；獨立鐵塔旁的機房或鐵塔下面的機房通信設備接地不規范，只用一根扁鋼從鐵塔一個角引到機房作通信設備接地。

(6)光纖線路接地不規范：光纜進入基站機房后。金屬層和金屬芯及光端機未接地，使光端機損壞。

3基站防雷和接地解決方案分析

由于各GSM基站的環境和建設方式不同，對基站防雷與接地不能一概而論，應根據具體情況采取防雷與接地措施。建議新建基站在選址時，要考慮防雷與接地有利的地形，不宜選用高土壤電阻率的巖石地帶，要考慮做地網的問題；獨立鐵塔與機房不能靠得太近。鐵塔地網與機房有3m～5m間距。

YD5068-98《移動通信基站防雷與接地設計規范》和GB50057-94《建筑物防雷設計規范》(2000年版)是目前移動基站防雷工程設計的直接依據。結合幾年來防雷工程的實踐，淺談基站防雷與接地方面的一些問題。

3.1直擊雷的防護

為保護GSM基站通信天線免遭直接雷擊，基站無論建在什么地方，天線應有直擊雷的防護措施，應在接閃裝置保護范圍之內，即天線處于LPZOB區內。安裝接閃裝置或天線時，應注意天線頂部與接閃裝置頂部有3～5m的垂直距離，天線與塔身水平距離應保持2.5m。在設計接閃裝置時應按GB50057-94中滾球法確定，其滾球半徑應為45m。接閃裝置與鐵塔作可靠的電氣連通。鐵塔建在建筑物樓頂時，接閃裝置應納入建筑物直擊雪防護系統，塔腳與避雷帶在兩個方向焊接連通。

GSM基站同軸電纜饋線的金屬外護層，應在上部、下部和經走線架進機房入口處接地，當鐵塔高度大干或等于60m時，同軸電纜饋線的金屬外護層還應在鐵塔中部增加一處接地。以此增加雷電流的入地途徑，并使饋線上的過電壓分割成多段承擔。加強分流和均壓效果。通過至少三次接地，直接使雷電能量在進入機房機架前泄入大地，從而達到保護機架及設備安全的目的。

同軸電纜饋線進入機房后與通信設備連接處應安裝饋線SPD，以防來自天饋線引入的感應雷。饋線SPD接地端應引接到室外饋線入口處接地線上，選擇饋線SPD時應考慮連接器、阻抗、工作頻段、衰耗等指標與通信設備相適應。

GSM基站機房應有直擊雷防護措施，屋頂應設避雷帶、避雷網，而且該網與避雷帶應按一定間距焊接連通。

3.2基站供電線路的雷電防護

GSM基站交流供電方式應采用三相五線制以解決交流零線上的不平衡電流通過聯合接地體對移動通信的干擾問題。

從防雷角度考慮，目前作為電源線路的防護廣泛使用過電壓保護裝置(SPD)并采取分級保護的原理。一般通信電源都有三級防護措施，即B、C、D三級防護，B級一般設在電源線進機房處，主要泄放大部分雷電流，并在一定程度上降低雷電過電壓；C級一般設在通信電源的交流配電單元，在于進一步降低電壓幅度；D級設在整流模塊內部。通過級保護的手段，將雷電流泄放入大地，從而扼制雷電流的入侵，將瞬態過電壓幅值降低到設備可以承受水平，起到保護電子設備的作用。

僅有完善的三級保護還不夠，有些移動基站的低壓電力線路是架空引入的，很容易遭到感應雷擊沿線路一直傳到機房將設備損壞。電源線架空入室，有可能遭到直接雷擊，這是引雷的重要途徑，應該從加強屏蔽的角度去保障系統的安全，采用屏蔽電纜穿鐵管埋地敷設進基站，YD5068-98第3.1.6條規定：“進入移動通信基站的低壓電力電纜宜從地下引入機房，其長度不宜小于50m(當變壓器高壓側已采用電力電纜時，低壓側電力電纜長度不限)。”埋地敷設的電力電纜，在進基站機房前邊距離大于10m的室內配電箱處安裝第一級限壓型SPD1，其通流容量為60KA～100KA；在機房內安裝第二級限壓型SPD2，其通流容量為20KA～40KA。為了實現第一級與第二級SPD之間有效配合，在SPD1和SPD2之間線距小于10m時，必須在這兩級間串入解耦電感器。SPD的選擇應考慮各級之間的能量分配和電壓配合，在許多因素難以確定時，建議在機房內采用組合型串并式電源SPD。串并式是根據現代雷電防護中應用場合、保護范圍、層次區分等特點提出的。其實質是經能量配合和電壓分配的多級放電器與濾波技術的有效組合。直流電源線路應安裝直流電源SPD對線路進行保護。

3.3移動基站共用(聯合)接地系統

接地是分流和排泄直接雷擊和雷電電磁脈沖能量最有效的手段之一。沒有接地裝置或者接地不良的避雷設施就成了引雷入室的禍害。

YD5068-98規定移動基站鐵塔地網、機房地網、變壓器地網進行妥善連接，站內實行聯合接地，并要求工頻接地

電阻值應小于5Ω，對于年雷暴日小于20天的地區，接地電阻值可小于10Ω。經實踐證明這是行之有效的規定。鐵塔地網是泄放直擊雷大電流的地網，直擊雷電流是沖擊電流，其地網用沖擊接地電阻表示，而沖擊電位在入地后是在地下不太深的地層中沿半球體成指數曲線衰減，越靠近直擊雷電流引下線入地的地方其沖擊電位越高。離開雷電流引入點愈遠的地方，接地體上的電位就愈低，任何情況下，機房電子設備的接地引入線接地點與直擊雷電流引下線入地點應有足夠的間隔距離，YD5068-98規定相互離開5m以上，條件允許時應離開10m～15m，否則雷電沖擊高電位將對弱電設備造成反擊而受損。因此，機房電子設備的接地應從機房地網上引入地線。基站的環境有不同，但都要做機房地網，并用導體引接到機房去，機房內應設置局部等電位連接帶，是LPZ1與LPZ2區界面處的等電位連接帶；而機房地網應屬于總等電位連接帶的接地網，是LPZOB區與LPZ1區界面處的等電位連接。

機房內各種線纜的金屬外層、設備保護接地、工作接地、金屬構件、各種箱件、殼體、機架、屏蔽網等均以最短距離與局部等電位連接帶連接。采用的是S型星形結構或M型網形結構的等電位連接網絡，在這一連接處，電源系統可采用第二級電涌保護器(SPD)進行連接。

設置GSM基站地網有以下幾種情況：

(1)基站建于城市現代建筑物的頂層

天線用鐵塔支持，鐵塔建在樓頂屋面上，避雷帶、避雷網與現代鋼筋混凝土建筑結構相結合，天線與鐵塔的接地直接與避雷帶、避雷網連接，防直擊雷應納入建筑物防直擊雷系統。這種建筑物有龐大基礎的接地網(包括與之相連的自然接地體)，基站機房的局部等電位連接帶與共用接地系統的連接，可以從樓層中部的輔助等電位連接帶或接地端子板上用接地線引入，亦可用接地干線與總等電位連接帶連接后引至機房。

(2)租用民房建的基站

租用民房建立的基站如圖1所示。鐵塔在樓頂，兩個方向接避雷帶，其引下線的地電阻應小于10Ω。必須再做一個機房地網地電阻小于10Ω，兩個地網間在0.6m地下用扁鋼連成聯合地網，相距應大于5m。機房內局部等電位連接帶的引入線應從機房地網上引接。基站電源系統SPD1的接地線也應從該地網上另用導線引接，不能直接從防雷引下線的地網上引入。要因地制宜進行聯合接地。

(3)機房設在鐵塔旁的GSM基站

在某些平原地區或山上建立的移動基站，機房設在鐵塔旁邊時，要做好鐵塔地網，泄放直擊雷大的沖擊電流。并做好機房地網進行等電位連接，為泄放小的雷電流提供通路。在建鐵塔時，應充分利用塔基地樁內兩根以上主鋼筋作為鐵塔地網的垂直接地體。當地網的接地電阻值達不到小于10Ω要求時，可擴大地網面積。在地網外圍增設1圈環形接地裝置或采用其他降阻措施。環形接地裝置由水平接地體和垂直接地體組成，水平接地體周邊為封閉式。也可在鐵塔四角設置輻射狀延伸接地體(如圖2所示)。

機房地網應沿機房建筑物散水坡外設置環形接地裝置，同時還應利用機房建筑物基礎內兩根以上主鋼筋組成機房地網。當機房地網的接地電阻值達不到小于10Ω要求時，應沿環形接地裝置設置人工垂直接地體或輻射狀延伸接地體。

兩個地網做好后再用扁鋼連接成聯合接地網。機房內局部等電位連接帶應在鐵塔地網較遠處的機房環形接地網上引接。

(4)機房在鐵塔下建的GSM基站

按照機房建在鐵塔旁的情況做好鐵塔地網，仍然應在鐵塔側5m外做一個機房地網，其接地電阻值應小于10Ω，并與鐵塔地網連接成聯合接地地網(如圖3所示)。

在機房地網的中心用金屬導體穿鋼管屏蔽，從地下或離地平面0.5m的地上引進機房，鋼管一端接地。機房內設置S型星形接地排。

(5)GSM基站地網優化設計

目前基站有各種各樣的地網，接地電阻從幾歐～十多歐不等，這主要是基站所處的地理環境和土質及站址所在地區土壤電阻率所決定。從理論上講，防雷接地用有接地電阻越小越好，這是因為接地裝置上流過的雷電流會使接地點的地電位升高，產生過高的接觸電壓和跨步電壓，機房內的反擊電壓也高，因此地網的設計主要是從防雷的角度考慮，盡可能降低接地電阻。但對于山區基站實際所處的地理位置與雷電的活動區域有著一定的關系，而且土質很差，多為碎石土壤、風化巖或花崗巖石，表面土僅十幾，幾十厘米厚，土壤電阻率極高，要使基站地網接地電阻做的很小是很困難的。這種情況應對基站地網采用優化設計的辦法降低其接地電阻值。仍然應做好鐵塔地網和機房地網，從機房地網上引入接地線作局部等電位連接帶(接地排)。地網的組成如圖4所不。

它為環路互聯聯合的接地形式，有利于均衡基站地電位，增加雷電流散流能力，接地電阻主要決定于接地網的面積。作為復合接地體以水平接地體為主，且邊緣閉合，其工頻接地電阻的計算式R約為：R≈0.5p/A

R——工頻接地電阻(Ω)：

p——土壤電阻率(Ω·m)

A——接地網的總面積(m²)

增大接地網的面積是降低接地電阻的主要因素，這時對接地電阻數值起主要作用的是接地體的外環部分，而不是網格內部接地體的數量。以外環水平接地體為主和垂直接地體為輔的環路組成，而環路外形由站址所處的地理環境所決定。

實踐證明，接地是防雷系統的重要因素。往往采取了各種防雷措施還遭雷害，其主要原因是接地沒有做好，或亂引接地線造成的。

移動基站還應注意建筑物和機房的屏蔽措施，非LPZ2區的機房不宜有大孔洞的窗戶，以防御空間雷電電磁脈沖輻射能量對電子設備的損壞。